D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.10.001 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2009 动态轻压下模型的开发及优化 谢长川 张炯明王新华 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要为确保提高连铸板坯铸坯内部质量，开发了一套完整的轻压下模型，包括凝固传热、二冷水动态控制和辊缝控制模 型，并对动态轻压下技术的关键参数进行了优化·通过射钉实验和铸坯表面温度测量，对该模型进行了校核，实验结果与模 型计算结果较为一致：当拉速变化时，铸坯表面温度可以保证在较小的范围内波动.采用不同的轻压下参数进行生产试验，并 通过铸坯低倍检验和中心偏析分析，对压下量和压下位置进行了优化，得出固相率(f:)0.2一0.5、单位压下量1.2mmm一为 本铸机最佳的轻压下参数· 关键词板坯连铸；二冷配水：动态轻压下：中心偏析 分类号TF777.1 Development and optimization of the dynamic soft reduction model XIE Chang"chuan.ZHA NG Jiong-ming.WA NG Xing-hua School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI In order to improve the inner quality of slabs,a set of dynamic soft reduction models were developed,which include heat transfer,secondary cooling and roll gap control models,and the key parameters of soft reduction were optimized.The models were validated by shooting pin tests and measuring the surface temperature of slabs.The measurement results agree with those calcu- lated with the models,and the surface temperature fluctuation of slabs can be controlled in a narrower range when the casting speed changes.Production testing at different parameters of soft reduction was applied to optimize the percent reduction and reduction posi- tion by macrostructural examination and analyzing the center segregation.The best soft reduction parameters of this casting machine are that the solid ratio is 0.2 to 0.5 and the percent reduction is 1.2mm'm. KEY WORDS slab continuous casting:secondary cooling:dynamic soft reduction:center segregation 连铸动态轻压下技术即通过在线跟踪铸坯凝固 参数进行了校核、优化 进程，适时地在铸坯凝固末端给以一定的机械压下， 1动态轻压下模型系统 以弥补末端两相区的凝固体收缩，从而减轻乃至消 除中心偏析、疏松.该技术问世以来一直受到 1.1凝固传热模型 广泛关注，长期以来我国对该技术始终依靠引进 铸坯凝固传热数学模型可以计算出不同条件下 泰山钢厂220mm×1600mm不锈钢板坯铸机， 坯壳厚度、需要的二冷水量，为辊列布置、二次冷却 是第1台实施了动态轻压下技术的国产板坯铸机， 区划分和喷嘴布置提供设计参考，在线控制过程 该铸机的动态轻压下模型和机械设备、控制及液压 中，根据传热模型计算出的表面温度来动态修正各 系统全部是自主开发、设计和制造.自2008年初投 区水量，同时给出铸坯中心固相率、凝固终点等参 产以来，已顺利生产出了奥氏体、铁素体和马氏体各 数，为轻压下控制提供依据 系列的不锈钢.本研究开发的动态轻压下模型由凝 根据板坯铸坯的传热特点，将其传热过程简化 固传热模型、二冷水动态控制模型和辊缝控制模型 为一维非稳态传导传热： 三部分构成，通过系统的工业试验，对模型的关键 (1) 收稿日期：2009-03-18 作者简介：谢长川(1976一），男，博士研究生，E-mail:xiechangchuan(@sohu.com:王新华(I951一），男，教授，博士生导师
动态轻压下模型的开发及优化 谢长川 张炯明 王新华 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 为确保提高连铸板坯铸坯内部质量开发了一套完整的轻压下模型包括凝固传热、二冷水动态控制和辊缝控制模 型并对动态轻压下技术的关键参数进行了优化．通过射钉实验和铸坯表面温度测量对该模型进行了校核．实验结果与模 型计算结果较为一致；当拉速变化时铸坯表面温度可以保证在较小的范围内波动．采用不同的轻压下参数进行生产试验并 通过铸坯低倍检验和中心偏析分析对压下量和压下位置进行了优化得出固相率（ f s）0∙2～0∙5、单位压下量1∙2mm·m －1为 本铸机最佳的轻压下参数． 关键词 板坯连铸；二冷配水；动态轻压下；中心偏析 分类号 TF777∙1 Development and optimization of the dynamic soft reduction model XIE Chang-chuanZHA NG Jiong-mingW A NG Xing-hua School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT In order to improve the inner quality of slabsa set of dynamic soft reduction models were developedwhich include heat transfersecondary cooling and roll gap control modelsand the key parameters of soft reduction were optimized．T he models were validated by shooting-pin tests and measuring the surface temperature of slabs．T he measurement results agree with those calculated with the modelsand the surface temperature fluctuation of slabs can be controlled in a narrower range when the casting speed changes．Production testing at different parameters of soft reduction was applied to optimize the percent reduction and reduction position by macrostructural examination and analyzing the center segregation．T he best soft reduction parameters of this casting machine are that the solid ratio is0∙2to0∙5and the percent reduction is1∙2mm·m －1． KEY WORDS slab continuous casting；secondary cooling；dynamic soft reduction；center segregation 收稿日期：20090318 作者简介：谢长川（1976－）男博士研究生E-mail：xiechangchuan＠sohu．com；王新华（1951－）男教授博士生导师 连铸动态轻压下技术即通过在线跟踪铸坯凝固 进程适时地在铸坯凝固末端给以一定的机械压下 以弥补末端两相区的凝固体收缩从而减轻乃至消 除中心偏析、疏松［1－2］．该技术问世以来一直受到 广泛关注长期以来我国对该技术始终依靠引进． 泰山钢厂220mm×1600mm 不锈钢板坯铸机 是第1台实施了动态轻压下技术的国产板坯铸机． 该铸机的动态轻压下模型和机械设备、控制及液压 系统全部是自主开发、设计和制造．自2008年初投 产以来已顺利生产出了奥氏体、铁素体和马氏体各 系列的不锈钢．本研究开发的动态轻压下模型由凝 固传热模型、二冷水动态控制模型和辊缝控制模型 三部分构成．通过系统的工业试验对模型的关键 参数进行了校核、优化． 1 动态轻压下模型系统 1∙1 凝固传热模型 铸坯凝固传热数学模型可以计算出不同条件下 坯壳厚度、需要的二冷水量为辊列布置、二次冷却 区划分和喷嘴布置提供设计参考．在线控制过程 中根据传热模型计算出的表面温度来动态修正各 区水量同时给出铸坯中心固相率、凝固终点等参 数为轻压下控制提供依据． 根据板坯铸坯的传热特点将其传热过程简化 为一维非稳态传导传热： ρCeff ∂T ∂t ＝ ∂ ∂x λ ∂T ∂x （1） 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．001
第10期 谢长川等：动态轻压下模型的开发及优化 ,1317. m本模型取5，需根据现场情况校正 (2) 1.2二冷水动态控制模型 式中，p为钢的密度，kgm3;入为导热系数， 把整个铸坯沿着拉坯方向分割成小的坯块，这 Wm1.℃-1；Cm为等效比热容，Jkg1.℃；T 些坯块组成一个队列，用这个队列的移动来模拟铸 为温度，℃；TL为液相线温度，℃；T。为固相线温 坯的运动，在队列的尾部压入坯块，而在队列的头 度，℃；f为固相率；t为时间，s 部弹出坯块，坯块个数保持不变，可以用循环队列来 为求解上述方程，其初始条件和边界条件如下， 描述这个过程，该模型可以恰当地仿真整个拉坯过 (1)初始条件，开始时间t=0时，结晶器内钢 程，用指针技术处理数据的移动，计算效率很高，铸 水弯月面处微元体钢水温度T=T。(T。为浇注 坯移动的误差可以控制在一个坯块的长度范围内， 温度)· 铸坯凝固冷却过程中，热量经过坯壳的传导是 (②)铸坯中心，铸坯中心线两边为对称传热： 限制环节，而坯壳的增长与凝固时间成正比，因此 a工二0 二冷水量应与坯壳的凝固时间一致，才能使表面温 ax (3) 度稳定，二冷水量应该由冷却区内坯块的坯龄来确 (3)铸坯表面， 定，即坯块的平均拉速来确定，如二冷区的某冷却区 结晶器： 包含有坯龄为50~70的坯块，其平均速度即取以上 q=A-B/t (4) 坯块速度的平均值；即坯块的平均速度由坯块距弯 二冷区： 月面的距离和坯龄决定，可以从上述铸坯移动模型 g=h(Ts-Tw) (5) 中获得.考虑到铸坯传热的滞后现象，计算二冷配 辐射区： 水的当量速度取平均速度与瞬时速度的加权平均： 9=0[(Ts+273)4-(To+273)4] (6) Vfr-(l-e)Vawverage十eV (9) 式中，q为热流密度，W·m2;h为传热系数， 式中，Vt为当量速度，m'min;Vem为平均速 Wm-2.℃-1；Ts、Tw和To分别为俦坯表面、冷 度，mmin;V为铸机瞬时拉速，m 'min;e为权 却水和环境温度，℃；σ为斯蒂芬一波尔兹曼常数， 重系数， 5.67×10-8Wm2K-4;e为辐射系数（黑度），本模 E的取值本着从铸机的上部到下部逐渐减少的 型取0.8；t为时间，s;A、B为常数， 原则：在足辊区，坯壳较薄，e取较大的常数；而在铸 采用有限差分法对连铸坯凝固传热方程进行求 机的末端，坯壳较厚甚至已经完全凝固，k取较小的 解].其空间上采用有限容积法，时间项可由全隐 常数 式差分表达，全隐格式虽然在求解线性方程组上比 根据当量速度可以用插值方法确定水量，事实 显式复杂，但时间步长可以取较大值，另外在求解线 上，当工况稳定时坯龄配水模型与水表控制模型是 性方程组上采用追赶法，提高求解速度， 致的，但是，坯龄模型不能保证铸坯的温度与目 通过查阅文献和实验测试确定出各种物性参 标温度完全一致，无法考虑诸如中包温度等因素的 数，采用显热熔法处理凝固潜热，即将凝固潜热平均 影响 分配到固、液两相区内.两相区的比热容为]： 通过对铸坯的动态跟踪和温度场计算，实时计 C=C.+C+L 算铸坯的表面温度和凝固状态，与铸坯设定的目标 2TL一T. (7) 温度比较，当有偏差时及时调整各冷区的水量，水 式中，CL、C和C钢的两相、固态和液态比热容， 量的调节按照如下方法实施： Jkg1.℃-1；Lf为凝固潜热，Jkg1;T。、TL为钢 △Q:=KyAT (10) 液的固相线，液相线温度，℃. 式中，△Q:为各区水量的调节增量，m3s1;K为调 对于铸坯中液相穴对流运动，用等效导热系数 节系数：△T,为计算值与目标值的差值，℃. 的方法把对流传热问题等效成导热过程，对于板坯 1.3辊缝控制模型 而言，一般取液相区的等效导热系数为固相区的1~ 辊缝控制模型根据不同的工况，要采用平行辊 4倍，两相区的导热系数可取固、液两相的平均值[)： 缝、轻压下辊缝和随动辊缝多种模式，辊缝控制模型 =×1+(m-1X别] (8) 根据铸坯移动模型的数据，判断铸坯头、尾的位置，采 用平行辊缝，避免扇形段承受冷坯头过大的载荷， 式中，入L、入为两相、固相导热系数，Wm1.℃-1； 实施轻压下时，根据不同钢种的线膨胀系数，设
f s＝ TL－ T TL－ Ts （2） 式中ρ为 钢 的 密 度kg·m －3 ；λ 为 导 热 系 数 W·m －1·℃－1 ；Ceff 为等效比热容J·kg －1·℃－1 ；T 为温度℃；TL 为液相线温度℃；Ts 为固相线温 度℃；f s 为固相率；t 为时间s． 为求解上述方程其初始条件和边界条件如下． （1） 初始条件．开始时间 t＝0时结晶器内钢 水弯月面处微元体钢水温度 T ＝ Tc （ Tc 为浇注 温度）． （2） 铸坯中心．铸坯中心线两边为对称传热： ∂T ∂x ＝0 （3） （3） 铸坯表面． 结晶器： q＝ A－B t （4） 二冷区： q＝h（ TS－ T W） （5） 辐射区： q＝εσ［（ TS＋273） 4－（ T O＋273） 4］ （6） 式中q 为 热 流 密 度W·m －2 ；h 为 传 热 系 数 W·m －2·℃－1 ；TS、T W 和 T O 分别为铸坯表面、冷 却水和环境温度℃；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数 5∙67×10－8 W·m 2·K －4 ；ε为辐射系数（黑度）本模 型取0∙8；t 为时间s；A、B 为常数． 采用有限差分法对连铸坯凝固传热方程进行求 解［3］．其空间上采用有限容积法时间项可由全隐 式差分表达．全隐格式虽然在求解线性方程组上比 显式复杂但时间步长可以取较大值另外在求解线 性方程组上采用追赶法提高求解速度． 通过查阅文献和实验测试确定出各种物性参 数采用显热熔法处理凝固潜热即将凝固潜热平均 分配到固、液两相区内．两相区的比热容为［3］： CsL＝ Cs＋CL 2 ＋ Lf TL－ Ts （7） 式中CsL、Cs 和 CL 钢的两相、固态和液态比热容 J·kg －1·℃－1 ；Lf 为凝固潜热J·kg －1 ；Ts、TL 为钢 液的固相线液相线温度℃． 对于铸坯中液相穴对流运动用等效导热系数 的方法把对流传热问题等效成导热过程．对于板坯 而言一般取液相区的等效导热系数为固相区的1～ 4倍两相区的导热系数可取固、液两相的平均值［3］： λsL＝λs× 1＋（ m－1）× T－ Ts TL－ Ts （8） 式中λsL、λs 为两相、固相导热系数W·m －1·℃－1 ； m 本模型取5需根据现场情况校正． 1∙2 二冷水动态控制模型 把整个铸坯沿着拉坯方向分割成小的坯块这 些坯块组成一个队列用这个队列的移动来模拟铸 坯的运动．在队列的尾部压入坯块而在队列的头 部弹出坯块坯块个数保持不变可以用循环队列来 描述这个过程．该模型可以恰当地仿真整个拉坯过 程用指针技术处理数据的移动计算效率很高铸 坯移动的误差可以控制在一个坯块的长度范围内． 铸坯凝固冷却过程中热量经过坯壳的传导是 限制环节而坯壳的增长与凝固时间成正比．因此 二冷水量应与坯壳的凝固时间一致才能使表面温 度稳定．二冷水量应该由冷却区内坯块的坯龄来确 定即坯块的平均拉速来确定如二冷区的某冷却区 包含有坯龄为50～70的坯块其平均速度即取以上 坯块速度的平均值；即坯块的平均速度由坯块距弯 月面的距离和坯龄决定可以从上述铸坯移动模型 中获得．考虑到铸坯传热的滞后现象计算二冷配 水的当量速度取平均速度与瞬时速度的加权平均： V eff＝（1－ε） V average＋εV （9） 式中V eff 为当量速度m·min －1 ；V average为平均速 度m·min －1 ；V 为铸机瞬时拉速m·min －1 ；ε为权 重系数． ε的取值本着从铸机的上部到下部逐渐减少的 原则：在足辊区坯壳较薄ε取较大的常数；而在铸 机的末端坯壳较厚甚至已经完全凝固k 取较小的 常数． 根据当量速度可以用插值方法确定水量．事实 上当工况稳定时坯龄配水模型与水表控制模型是 一致的．但是坯龄模型不能保证铸坯的温度与目 标温度完全一致无法考虑诸如中包温度等因素的 影响． 通过对铸坯的动态跟踪和温度场计算实时计 算铸坯的表面温度和凝固状态与铸坯设定的目标 温度比较当有偏差时及时调整各冷区的水量．水 量的调节按照如下方法实施： ΔQi＝ Kij·ΔTj （10） 式中ΔQi 为各区水量的调节增量m 3·s －1 ；Kij为调 节系数；ΔTj 为计算值与目标值的差值℃． 1∙3 辊缝控制模型 辊缝控制模型根据不同的工况要采用平行辊 缝、轻压下辊缝和随动辊缝多种模式．辊缝控制模型 根据铸坯移动模型的数据判断铸坯头、尾的位置采 用平行辊缝避免扇形段承受冷坯头过大的载荷． 实施轻压下时根据不同钢种的线膨胀系数设 第10期 谢长川等： 动态轻压下模型的开发及优化 ·1317·
,1318 北京科技大学学报 第31卷 定一组收缩辊缝，同时在铸坯一定的固相率分布范 用红外连续测温仪进行了铸坯表面温度测量，结果 围实施轻压下，动态模式控制的关键参数是压下区 如图2所示.图中横坐标是测量的时间，左边的纵 间、压下量和压下速率（单位时间的压下量），压下 坐标表示铸坯表面温度，右边的纵坐标表示拉坯速 区间以中心固相率（∫）为依据，中心固相率可以通 度.由图可以看到：当拉速发生变化时，铸坯表面温 过实验法和模型计算的方法获取[闺.板坯铸机单个 度有所波动，其中9.74m处，拉速恒定的阶段，铸坯 压下区间有1~2m,铸机无法精确地在某两个固相 的实际测量的表面温度变化很小，温度波动在 率间实施压下，要考虑整个扇形段内的固相率分布， 士10℃以内：在速度变化较大时温度波动在士20℃ 因此世界上不同厂家得出的最佳压下位置都不完全 以内：拉速由0.75mmin增加到1.1mmin1,温 相同].总压下量要完全补偿凝固俦坯的体积收 度由940℃升高到970℃，经过5min后，温度又回 缩；但过大的压下量会使铸坯内部产生裂纹，并使支 到950℃，并稳定在这个温度附近.13.58和 撑辊的疲劳寿命降低 20.33m处，铸坯表面温度的变坏也具有类似的规 此外实施轻压下时，扇形段要承受铸坯施加的 律，只是波动的幅度略有增加.铸坯表面温度最大 各种反作用力，导致辊缝最大变形量可达到1mm, 波动通过调整水量来稳定，但水量调整有滞后性，因 而单个扇形段压下的量最大约2mm,必须进行准确 此温度会发生波动，实验发现，当铸机的拉速发生 地辊缝补偿].采用ANSYS软件对整个扇形段、 变化时，通过二冷水的动态控制，可以将铸坯的表面 铸坯的变形状况进行了全面的分析，位移分布云图 温度控制在很小的范围内波动.，这有利于铸坯温度 如图1所示.在不同工况下的变形量为0.2~ 的稳定下降，降低热应力，提高铸坯质量，表明模型 1.0mm,动态轻压下过程中，辊缝的变化由铸坯热 计算准确性较高 收缩、轻压下和变形补偿构成 1000 974m 2033m处温度 拉速 520 07 40 60 80100120140160180 时间min 图2拉速变化时9.74,13.58和20.33m处温度测量值 Fig.2 Surface temperature of a slab at 9.74,13.58 and 20.33m from the meniscus in case of variational casting speed 图1扇形段与铸坯相互作用下Y向位移分布云图 采用了射钉法进行实验，三种拉速实验条件为 Fig.1 Contour plot of Y-directional displacement distribution under 0.8,1.0和1.2mmin1,射钉位置在离液面13.7m interaction of the segment and the slab 和15.7m处.由结果分析，铸坯的综合凝固系数为 实施轻压下后，铸坯的厚度发生了变化，此后的 25.32 mmmin1/2,凝固终点的计算值、实测值相差 扇形段必须根据模型跟踪的铸坯厚度、位置等数据， 0.23m,以此修正了传热模型的相关参数 调整扇形段的开口度，使扇形段始终紧贴在铸坯上， 2.2轻压下参数优化实验 防止铸坯鼓肚同时避免过大的载荷，如果传热模型 设计了14组实验来优化轻压下的关键参数， 计算的数据显示全凝固后的铸坯温度过低，必须放 主要考察压下位置和压下量变化对铸坯质量的影 弃辊缝控制，采用随动辊缝，使扇形段采用一定的夹 响.铸坯规格为200mm×1550mm,设计的轻压下 紧力压在铸坯上，起到保护扇形段的作用 工艺参数如表1所示，同时取了实验编号为13号和 2动态轻压下参数的优化 14号两组未采用轻压下的试样作对比，其拉速分别 为0.7和0.9mmin 2.1铸还表面温度、凝固终点校核 测量了以上实验的铸坯厚度，与设定值作对比， 对距结晶器液面9.74,13.58和20.33m处，采 结果如图3所示，由于扇形段的变形，实际辊缝几
定一组收缩辊缝．同时在铸坯一定的固相率分布范 围实施轻压下．动态模式控制的关键参数是压下区 间、压下量和压下速率（单位时间的压下量）．压下 区间以中心固相率（ f s）为依据中心固相率可以通 过实验法和模型计算的方法获取［4］．板坯铸机单个 压下区间有1～2m．铸机无法精确地在某两个固相 率间实施压下要考虑整个扇形段内的固相率分布 因此世界上不同厂家得出的最佳压下位置都不完全 相同［5－6］．总压下量要完全补偿凝固铸坯的体积收 缩；但过大的压下量会使铸坯内部产生裂纹并使支 撑辊的疲劳寿命降低． 此外实施轻压下时扇形段要承受铸坯施加的 各种反作用力导致辊缝最大变形量可达到1mm 而单个扇形段压下的量最大约2mm必须进行准确 地辊缝补偿［7－8］．采用 ANSYS 软件对整个扇形段、 铸坯的变形状况进行了全面的分析位移分布云图 如图 1 所示．在不同工况下的变形量为0∙2～ 1∙0mm．动态轻压下过程中辊缝的变化由铸坯热 收缩、轻压下和变形补偿构成． 图1 扇形段与铸坯相互作用下 Y 向位移分布云图 Fig．1 Contour plot of Y-directional displacement distribution under interaction of the segment and the slab 实施轻压下后铸坯的厚度发生了变化此后的 扇形段必须根据模型跟踪的铸坯厚度、位置等数据 调整扇形段的开口度使扇形段始终紧贴在铸坯上 防止铸坯鼓肚同时避免过大的载荷．如果传热模型 计算的数据显示全凝固后的铸坯温度过低必须放 弃辊缝控制采用随动辊缝使扇形段采用一定的夹 紧力压在铸坯上起到保护扇形段的作用． 2 动态轻压下参数的优化 2∙1 铸坯表面温度、凝固终点校核 对距结晶器液面9∙7413∙58和20∙33m处采 用红外连续测温仪进行了铸坯表面温度测量结果 如图2所示．图中横坐标是测量的时间左边的纵 坐标表示铸坯表面温度右边的纵坐标表示拉坯速 度．由图可以看到：当拉速发生变化时铸坯表面温 度有所波动其中9∙74m 处拉速恒定的阶段铸坯 的实际测量的表面温度变化很小温度波动在 ±10℃以内；在速度变化较大时温度波动在±20℃ 以内；拉速由0∙75m·min －1增加到1∙1m·min －1温 度由940℃升高到970℃经过5min 后温度又回 到 950 ℃并 稳 定 在 这 个 温 度 附 近．13∙58 和 20∙33m处铸坯表面温度的变坏也具有类似的规 律只是波动的幅度略有增加．铸坯表面温度最大 波动通过调整水量来稳定但水量调整有滞后性因 此温度会发生波动．实验发现当铸机的拉速发生 变化时通过二冷水的动态控制可以将铸坯的表面 温度控制在很小的范围内波动．这有利于铸坯温度 的稳定下降降低热应力提高铸坯质量表明模型 计算准确性较高． 图2 拉速变化时9∙7413∙58和20∙33m 处温度测量值 Fig．2 Surface temperature of a slab at 9∙7413∙58and20∙33m from the meniscus in case of variational casting speed 采用了射钉法进行实验三种拉速实验条件为 0∙81∙0和1∙2m·min －1射钉位置在离液面13∙7m 和15∙7m 处．由结果分析铸坯的综合凝固系数为 25∙32mm·min －1／2凝固终点的计算值、实测值相差 0∙23m以此修正了传热模型的相关参数． 2∙2 轻压下参数优化实验 设计了14组实验来优化轻压下的关键参数． 主要考察压下位置和压下量变化对铸坯质量的影 响．铸坯规格为200mm×1550mm设计的轻压下 工艺参数如表1所示同时取了实验编号为13号和 14号两组未采用轻压下的试样作对比其拉速分别 为0∙7和0∙9m·min －1． 测量了以上实验的铸坯厚度与设定值作对比 结果如图3所示．由于扇形段的变形实际辊缝几 ·1318· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 谢长川等：动态轻压下模型的开发及优化 ,1319 表1轻压下实验参数 表2低倍检测评级结果 Table 1 Parameters of dynamic soft reduction Table 2 Results of macrostructural examination 单位压下量/ 设定压下 总压下量/ 编号中间裂纹三角区裂纹角裂纹 中心偏析中心疏松 编号 (mm'm-1) 位置，f mm 0.5 1.0 0.5 C0.5 0.5 0.8 0.2-0.5 2.61 2 0.5 0.5 0.5 c1.0 0.5 2 0.8 0.3-0.7 2.61 3 0.5 0.5 0.5 c1.0 0.5 3 0.8 0.61.0 1.30 4 0.5 0.5 0.5 c1.0 0.5 4 1.0 0.2-0.5 3.26 5 0.5 0.5 0.5 C1.0 0.5 1.0 0.3-0.7 3.26 6 15 1.0 0.5 c1.5 0.5 6 1.0 0.61.0 1.63 7 0. 0.5 0.5 c1.0 0.5 1.2 0.2-0.5 3,92 8 0.5 0.5 0.5 C1.0 0.5 8 1.2 0.3-0.7 3.92 9 .0 A1.0 0.5 9 1.2 0.61.0 1.96 10 05 0.5 0.5 c1.0 0.5 10 1.4 0.2-0.5 4.56 11 0.5 0.5 0.5 C0.5 0.5 0 1.4 0.30.7 4.56 白 0.5 0.5 0.5 A1.0 0.5 12 1.4 0.6-1.0 2.28 0.5 0.5 0.5 c1.0 0.5 14 0.5 1.0 0.5 C1.5 0.5 乎都大于设定值，但最大偏差不到0.5mm,辊缝控 制处于理想的状态，这证明了变形补偿的重要性； 各试样都是在中心附近出现偏析最大值，两侧 否则辊缝偏差过大，得不到轻压下的效果 出现对称的负偏析，是一种典型的中心偏析分布. 200.5 采用轻压下后，中心偏析都有了一定程度地改善，但 200.0 不同的条件产生不同的效果 199.5 当压下区间固相率(f)处于0.20.5，同一个 199.0 总压下量时，偏析情况基本上都比其他压下区间的 198.5 好，但过小的压下量对中心偏析的改善不明显，当 198.0 ◆实惠厚度 197.5 。一设定厚度 压下量加大，中心偏析逐步降低，压下量达到1.2和 197.0 23456789101112 1.4mmm一时，中心偏析最低，分别达到了1.06和 实验编号 1.01.考虑到过大的压下量会加剧设备的磨损，采 用1.2mmm的压下量较好. 图3辊缝实测值与设定值的对比 从凝固机理上来分析，许多研究认为压下区间 Fig.3 Comparison of the measured and set values of roll gap 固相率(f)处于0.30.7时，轻压下的效果最佳. 本研究的工况下，5号扇形段内铸坯的固相率(f,) 3优化效果的检验 分布为0.5~1.0，如果固相率选择在0.7处，则5 3.1铸坯低倍检验 号扇形段将实施压下，根据前面的分析将不能改善 通过酸洗、硫印的方法，进行了低倍评级，结果 中心偏析 见表2.6号、9号和12号试样的中心偏析比不采用 当压下位置固相率(f)处于0.6~1.0时，较大 轻压下时更严重，而且伴随有裂纹的出现，此时钢 的压下量导致中心偏析加剧，与低倍检测的结果非 液已经不具备流动性，施加压下会加重中心偏析，并 常吻合 造成凝固前沿裂纹 3.2C、S偏析分析 4结论 在铸坯中心采用刨样的方法取样，近中心部位 (1)研发了动态轻压下系统，投产以来模型计 取样比远处密集，用C、$检测仪分析后取平均值， 算准确，稳定可靠，近一年的生产统计数据表明铸坯 然后作出偏析图，如图4所示， 内部质量C级以上的达到93%
表1 轻压下实验参数 Table1 Parameters of dynamic soft reduction 编号 单位压下量／ （mm·m －1） 设定压下 位置f s 总压下量／ mm 1 0∙8 0∙2～0∙5 2∙61 2 0∙8 0∙3～0∙7 2∙61 3 0∙8 0∙6～1∙0 1∙30 4 1∙0 0∙2～0∙5 3∙26 5 1∙0 0∙3～0∙7 3∙26 6 1∙0 0∙6～1∙0 1∙63 7 1∙2 0∙2～0∙5 3∙92 8 1∙2 0∙3～0∙7 3∙92 9 1∙2 0∙6～1∙0 1∙96 10 1∙4 0∙2～0∙5 4∙56 11 1∙4 0∙3～0∙7 4∙56 12 1∙4 0∙6～1∙0 2∙28 乎都大于设定值但最大偏差不到0∙5mm辊缝控 制处于理想的状态．这证明了变形补偿的重要性； 否则辊缝偏差过大得不到轻压下的效果． 图3 辊缝实测值与设定值的对比 Fig．3 Comparison of the measured and set values of roll gap 3 优化效果的检验 3∙1 铸坯低倍检验 通过酸洗、硫印的方法进行了低倍评级结果 见表2．6号、9号和12号试样的中心偏析比不采用 轻压下时更严重而且伴随有裂纹的出现．此时钢 液已经不具备流动性施加压下会加重中心偏析并 造成凝固前沿裂纹． 3∙2 C、S 偏析分析 在铸坯中心采用刨样的方法取样近中心部位 取样比远处密集．用 C、S 检测仪分析后取平均值 然后作出偏析图如图4所示． 表2 低倍检测评级结果 Table2 Results of macrostructural examination 编号 中间裂纹 三角区裂纹 角裂纹 中心偏析 中心疏松 1 0∙5 1∙0 0∙5 C0∙5 0∙5 2 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 3 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 4 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 5 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 6 1∙5 1∙0 0∙5 C1∙5 0∙5 7 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 8 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 9 1∙0 1∙0 1∙0 A1∙0 0∙5 10 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 11 0∙5 0∙5 0∙5 C0∙5 0∙5 12 0∙5 0∙5 0∙5 A1∙0 0∙5 13 0∙5 0∙5 0∙5 C1∙0 0∙5 14 0∙5 1∙0 0∙5 C1∙5 0∙5 各试样都是在中心附近出现偏析最大值两侧 出现对称的负偏析是一种典型的中心偏析分布． 采用轻压下后中心偏析都有了一定程度地改善但 不同的条件产生不同的效果． 当压下区间固相率（ f s）处于0∙2～0∙5同一个 总压下量时偏析情况基本上都比其他压下区间的 好但过小的压下量对中心偏析的改善不明显．当 压下量加大中心偏析逐步降低压下量达到1∙2和 1∙4mm·m －1时中心偏析最低分别达到了1∙06和 1∙01．考虑到过大的压下量会加剧设备的磨损采 用1∙2mm·m －1的压下量较好． 从凝固机理上来分析许多研究认为压下区间 固相率（ f s）处于0∙3～0∙7时轻压下的效果最佳． 本研究的工况下5号扇形段内铸坯的固相率（ f s） 分布为0∙5～1∙0如果固相率选择在0∙7处则5 号扇形段将实施压下根据前面的分析将不能改善 中心偏析． 当压下位置固相率（ f s）处于0∙6～1∙0时较大 的压下量导致中心偏析加剧与低倍检测的结果非 常吻合． 4 结论 （1） 研发了动态轻压下系统投产以来模型计 算准确稳定可靠近一年的生产统计数据表明铸坯 内部质量 C 级以上的达到93％． 第10期 谢长川等： 动态轻压下模型的开发及优化 ·1319·
,1320 北京科技大学学报 第31卷 1.8 125 ◆1号实验 +1号实验 ·4号实验 ·7号实验 1.6 一4号实验 7号实验 1.15 10号实验 一10号实脸 一14号实验 1.4 →14号实骏 1.05 盖 1.2 0.95 1.0 0.85 08 95 -75 -55 -35-15 95 -75 -55 -35 -15 取样点距中心距离m 取样点距中心距离mm (a) 1.8 1.25 +2号实验 +2号实验 ·-5号实验 ·一5号实验 +一8号实验 1.6 8号实验 1.15 -11号实验 一11号实验 一14号实验 14 一14号实验 1.051 U n1.2 0.95 1.0t 0.85 0.8L 95 -75 -55 -35-15 -95 -75 -55 -35 -15 取样点距中心距离mm 取样点距中心距离mm (b) 1.25 ◆3号实验 8 +3号实羚 ·一6号实验 ·6号实验 9号实验 1.6 ·一9号实验 1.15 一12号实验 一12号实验 一14号实验 一14号实验 1.4 1.05 1.2 0.95 1.0 0.85 0.8 95 -75 -55 -35 -15 95 -75 -55 -35-15 取样点距中心距离mm 取样点距中心距离mm (回 图4铸坯C,S偏析图.(a)压下位置在∫.=0.2~0.5处：(b)压下位置在f.=0.3~0.7处：(c)压下位置在f.=0.6~1.0处 Fig-4 Carbon and sulfur segregation of slabs:(a)the soft reduction position at f0.20.5:(b)the soft reduction position at f=0.30.7; (e)the soft reduction position at f0.6~1.0 (2)二冷水动态控制效果良好，在拉速较大变 centerline segregation in continuously cast slab with soft reduction 动时，可以将铸坯表面温度控制在35℃以内 technique//Steelmaking Conference Proceedings-Chicago.1989: 63 (③)辊缝控制情况良好，实测表明实际辊缝与 [2]Kyung S O.Park JK,Kwon O D.et al.Development of soft re- 设定值偏差小于0.5mm, duction technology for the bloom caster at Pohang works of (4)实验得出本铸机最佳的轻压下参数：固相 POSCO//Steelmaking Conference Proceedings.Nashville.1995: 率(f)处于0.2~0.5，压下量为1.2mmm1 301 [3]Gan Yong.Qiu S T.Xiao Z Q.Mathematical and Physical 参考文献 Modeling of Continuous Casting Process.Beijing:Metallurgy In- dustry Press.2001 [1]Masaoka T.Mizuoka S.Kobayashi H.et al.Improvement of (干勇，仇圣桃，萧泽强，连续铸钢过程数学物理模拟.北京：
图4 铸坯 C、S 偏析图．（a） 压下位置在 f s＝0∙2～0∙5处；（b） 压下位置在 f s＝0∙3～0∙7处；（c） 压下位置在 f s＝0∙6～1∙0处 Fig．4 Carbon and sulfur segregation of slabs：（a） the soft reduction position at f s＝0∙2～0∙5；（b） the soft reduction position at f s＝0∙3～0∙7； （c） the soft reduction position at f s＝0∙6～1∙0 （2） 二冷水动态控制效果良好在拉速较大变 动时可以将铸坯表面温度控制在35℃以内． （3） 辊缝控制情况良好实测表明实际辊缝与 设定值偏差小于0∙5mm． （4） 实验得出本铸机最佳的轻压下参数：固相 率（ f s）处于0∙2～0∙5压下量为1∙2mm·m －1． 参 考 文 献 ［1］ Masaoka TMizuoka SKobayashi Het al．Improvement of centerline segregation in continuously cast slab with soft reduction technique∥ Steelmaking Conference Proceedings．Chicago1989： 63 ［2］ Kyung S OPark J KKwon O Det al．Development of soft reduction technology for the bloom caster at Pohang works of POSCO∥ Steelmaking Conference Proceedings．Nashville1995： 301 ［3］ Gan YongQiu S TXiao Z Q． Mathematical and Physical Modeling of Continuous Casting Process．Beijing：Metallurgy Industry Press2001 （干勇仇圣桃萧泽强．连续铸钢过程数学物理模拟．北京： ·1320· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 谢长川等：动态轻压下模型的开发及优化 ,1321. 冶金工业出版社，2001) on center segregation in C.C.Slab.ISIJ Int,1996,36(Suppl): [4]Won Y M.Thomas B G.Simple model of microsegregation dur- S231 ing solidification of steels.Metall Mater Trans A.2001,32: [7]Mojumdar D,Chaudhari P,Kozak B.Optimization of slab cen- 1755 terline quality using dynamic soft reduction//AISTech 2007 Pro- [5]Nabeshima S,Nakato H.Fujii T.et al.Control of centerline ceedings.Indianapolis:209 segregation continuous forging process in continuously cast blooms [8]Fash R E,Vielkind P J,Bederka D J.et al.Dynamic machine by continuous forging process.ISIJ Int,1995.35(6):673 gap control at the ISG Sparrows Point No.1 caster.Iron Steel [6]Yim C H.Park J K,You B D.et al.The effect of soft reduction Technol,2005(5):229 (上接第1217页) oil displacement with cross-linking polymer.Pet Explor Dev, [7]Chen C.Zhao G.Liao Z G.3-D multi phase multi-component 1994,21(1).56 mathematical model of combined ASP-foam flooding./Tsinghua (朱维耀.交联聚合物防窜驱油组分模型模拟器，石油勘探与 Unin Sci Technol.2002.42(12):16 开发，1994,21(1)：56) (陈国，赵刚，廖广志，泡沫复合驱油三维多相多组份数学模 [11]Wu X C.Zhu W Y,Ma Q K,et al.Study on nonlinearity seep- 型.清华大学学报：自然科学版，2002,42(12)：16) age characteristic and mathematical model of movable gel.Oil [8]Zhu W Y.Ju Y,Yan L D,et al.Porous flow mathematical mod- Drilling Prod Technol.2006,28(5):43 el of multiphase complex flow with phase change and wax deposi- (吴行才，朱维耀，马庆昆，等.可动凝胶体系非线性渗流特性 tion.JUniv Sci Technol Beijing.2007.29(9):74 及数学模型研究·石油钻采工艺，2006,28(5)：43) (朱维耀，鞠岩，燕良东，等.蜡沉积凝析气一液一固变相态复杂 [12]Cheng LS,Xiao Shuangai.Numerical simulation of steam-foam 渗流数学模型.北京科技大学学报，2007,29(9)：74) flooding for heavy oil reservoir.Chin J Comput Phys.2003. [9]Islam M R,Farour A.Numerical simulation of foam flow in 20(5):46 porous media.J Can Pet Technol.1990.29(3):47 (程林松，肖双爱.稠油油藏落汽一泡沫驱数值模拟方法.计算 [10]Zhu W Y.A compositional simulator for channeling control and 物理，2003,20(5)：46)
冶金工业出版社2001） ［4］ Won Y MThomas B G．Simple model of microsegregation during solidification of steels． Metall Mater T rans A200132： 1755 ［5］ Nabeshima SNakato HFujii Tet al．Control of centerline segregation continuous forging process in continuously cast blooms by continuous forging process．ISIJ Int199535（6）：673 ［6］ Yim C HPark J KYou B Det al．The effect of soft reduction on center segregation in C．C．Slab．ISIJ Int199636（Suppl）： S231 ［7］ Mojumdar DChaudhari PKozak B．Optimization of slab centerline quality using dynamic soft reduction∥ AISTech2007Proceedings．Indianapolis：209 ［8］ Fash R EVielkind P JBederka D Jet al．Dynamic machine gap control at the ISG Sparrows Point No．1caster．Iron Steel Technol2005（5）：229 （上接第1217页） ［7］ Chen GZhao GLiao Z G．3-D mult-i phase mult-i component mathematical model of combined ASP-foam flooding．J Tsinghua Univ Sci Technol200242（12）：16 （陈国赵刚廖广志．泡沫复合驱油三维多相多组份数学模 型．清华大学学报：自然科学版200242（12）：16） ［8］ Zhu W YJu YYan L Det al．Porous flow mathematical model of multiphase complex flow with phase change and wax deposition．J Univ Sci Technol Beijing200729（9）：74 （朱维耀鞠岩燕良东等．蜡沉积凝析气－液－固变相态复杂 渗流数学模型．北京科技大学学报200729（9）：74） ［9］ Islam M RFarour A．Numerical simulation of foam flow in porous media．J Can Pet Technol199029（3）：47 ［10］ Zhu W Y．A compositional simulator for channeling-control and oi-l displacement with cross-linking polymer．Pet Explor Dev 199421（1）：56 （朱维耀．交联聚合物防窜驱油组分模型模拟器．石油勘探与 开发199421（1）：56） ［11］ Wu X CZhu W YMa Q Ket al．Study on nonlinearity seepage characteristic and mathematical model of movable gel．Oil Drilling Prod Technol200628（5）：43 （吴行才朱维耀马庆昆等．可动凝胶体系非线性渗流特性 及数学模型研究．石油钻采工艺200628（5）：43） ［12］ Cheng L SXiao Shuangai．Numerical simulation of steam-foam flooding for heavy oil reservoir．Chin J Comput Phys2003 20（5）：46 （程林松肖双爱．稠油油藏蒸汽－泡沫驱数值模拟方法．计算 物理200320（5）：46） 第10期 谢长川等： 动态轻压下模型的开发及优化 ·1321·
